vpliv vsebnosti modakrila v - connecting repositoriesvpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih...
TRANSCRIPT
-
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO
Leja Loĉniškar
VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V
BOMBAŢNIH VZORCIH NA POTENCIAL ZETA
Diplomska naloga
Maribor, oktober 2011
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 2
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa
VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V BOMBAŢNIH VZORCIH
NA POTENCIAL ZETA
Študent: Leja LOĈNIŠKAR
Študijski program: visokošolski, Kemijska tehnologija
Smer: Kemijska tehnika
Predvideni strokovni naslov: dipl. inţ. kem. tehnol. (VS)
Mentorica: doc. dr. Aljana PETEK
Somentorica:
Lektorica:
dr. Irena PETRINIĆ
Cvetka Jurišiĉ, pred. uĉit. slov. in srbohrvašĉine
IZJAVA Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelala sama, prispevki drugih so posebej oznaĉeni.
Literaturo s podroĉja diplomskega dela sem pregledala po naslednjih elementih:
Vir: Web of Science, Science Direct
Gesla: zeta potential, streaming potential, modacrylic
Skupine gesel (unija itd.): zeta potential
Ĉasovno obdobje: Od leta 1950 do 2011
Število referenc: 58
Število prebranih izvleĉkov: 30
Število prebranih ĉlankov: 11
Število pregledanih knjig: 12
--------------------------
Maribor, oktober 2011 podpis študenta(ke)
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 3
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 4
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 5
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aljani Petek za
strokovne nasvete in somentorici dr. Ireni Petrinić
za pomoĉ in vodenje pri opravljanju diplomskega
dela. Hermini Bukšek, uni. dipl. inţ. kem. teh., se
zahvaljujem za nasvete in pomoĉ pri
eksperimentalnem delu. Hvala dr. Thomasu
Luxbacherju iz podjetja Anton Paar GmbH za
strokovno usmerjanje.
Lepa hvala tudi mojim staršem za veliko
spodbudnih besed.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 6
VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V BOMBAŢNIH VZORCIH NA POTENCIAL ZETA
Povzetek
Potencial zeta je eksperimentalno doloĉljiva veliĉina in je rezultat delovanja
elektrokinetiĉnih pojavov. Nanaša se na spremembo potenciala na striţni površini med
premikajoĉim in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Namen diplomske naloge je bil
ugotoviti kako gostota zloţenosti prej v cilindriĉni celici vpliva na potencial zeta in kakšen
vpliv ima nanj širina reţe pretoĉnega kanala v celici z nastavljivo reţo. Ugotavljali smo tudi
ali so rezultati potenciala zeta prej in pletenin med seboj primerljivi. V naši raziskavi smo
potencial zeta doloĉali z elektrokinetiĉnim analizatorjem SurPASS, ki temelji na merjenju
pretoĉnega toka in pretoĉnega potenciala. Z uporabo tega instrumenta je mogoĉe dobiti
tudi informacijo o realnem potencialu zeta, in ne le o navideznem. Rezultati merjenj v
cilindriĉni celici so pokazali, da z narašĉajoĉo gostoto zloţenosti postaja potencial zeta
vse manj negativen. Rezultati merjenj v celici z nastavljivo reţo pa so pokazali, da širina
reţe pretoĉnega kanala, z izjemo 100% modakrila, ne vpliva na potencial zeta. S
primerjavo rezultatov potenciala zeta prej in pletenin smo ugotovili, da celici dajeta
primerljive rezultate navideznega potenciala zeta. Ugotovili smo tudi, da realni in
navidezni potencial zeta nista primerljiva zaradi velikih razlik v absolutnih vrednostih. Za
informacijo o realnem potencialu zeta bo raziskavo potrebno nadaljevati z merjenjem v
modificirani celici z nastavljivo reţo. Rezultati merjenj v cilindriĉni celic in celici z
nastavljivo reţo so potrdili priĉakovan trend vzorcev glede na vsebnost bombaţa in
modakrila, in sicer da s poveĉano vsebnostjo modakrila potencial zeta postaja vse bolj
negativen.
Ključne besede: potencial zeta, pretoĉni potencial, modakril, cilindriĉna celica, gostota
zloţenosti
UDK: 677.2.017:544.638(043.2)
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 7
THE INFLUENCE OF MODACRYL IN COTTON SAMPLES ON ZETA
POTENTIAL
Abstract
The zeta potential is an experimentally determinable parameter and is the result of
electrokinetic phenomena. It refers to the potential change on shear surface between the
moving part and the static part of the diffuse double layer. The aim of the thesis was to
determine the effect of packing density of yarn in a cylindrical cell on zeta potential and
what impact it has the width of slit in the streaming channel in an adjustable gap cell on
zeta potential. We also wanted to determine whether or not the results of zeta potential
measurements of yarn and knitted fabrics are comparable. In our study, zeta potential was
determined with using a »SurPASS« electrokinetic analyzer based on the streaming
current and streaming potential measurement. By using this instrument is it also possible
to get informations about the correct zeta potential, and not just for the apperent zeta
potential. The results of measurements in the cylindrical cell have shown that the higher
the packing density, the less negative the zeta potential. The results of measurements in
the adjustable gap cell have demonstrated that the width of the slit in the streaming
channel, with the exception of 100% modacrylic, does not affect the zeta potential. When
comparing the zeta potential results of yarn and knitwear, it was determined that the
results of apparent zeta potential are comparable between both cells. It was also
determined that the apparent and correct zeta potential are not comparable due to large
differences in absolute values. In order to obtain accurate information on the correct zeta
potential, all further measurements shall be performed in a modified adjustable gap cell.
The results of measurements in the cylindric and adjustable gap cell confirmed the
expected trend of samples, namely depending on the content of cotton and modacrylic –
the higher the content of modacrylic, the more negative the zeta potential.
Key Words: zeta potential, streaming potential, modacrylic, cylindrical cell, packing
density
UDK: 677.2.017:544.638(043.2)
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 8
KAZALO VSEBINE
1 UVOD………………………………………………………………………………………………………. 13
2 TEORETIČNI DEL………………………………………………………………… 15
2.1 Tekstilna vlakna…………………………………………………………………………………... 15
2.1.1 Bombaţ………………………………………………………………………………………... 18
2.1.2 Modakril………………………………………………………………………………………... 23
2.1.3 Ognjevarne tekstilije……………………………………………………………………..….... 31
2.1.3.1 Mejni kisikov indeks…………………………………………………………………...... 35
2.1.4 Površinske (elektrokinetiĉne) lastnosti bombaţa in modakrila…………………………... 35
2.2 Elektrokinetični pojavi………………………………………………………………………....... 36
2.3 Električna dvojna plast……………………………………………………………………......... 38
2.4 Določanje pretočnega potenciala/toka oz. potenciala zeta……………………............... 40
3 EKSPERIMENTALNI DEL……………………………………………………………………….. 43
3.1 Uporabljeni vzorci………………………………………………………………………............. 43
3.2 Merilni instrument SurPASS…………………………………………………………………... 45
3.2.1 Opis delovanja merilnega instrumenta SurPASS……………………………….............. 45
3.2.2 Sestavni deli instrumenta SurPASS………………………………………………………... 46
3.2.3 Potek meritev na primeru………………………………………………………………….... 48
3.2.3.1 Priprava raztopine elektrolita………………………………………………………....... 48
3.2.3.2 Namestitev vzorca v merilno celico…………………………………………………... 48
3.2.3.3 Upravljanje instrumenta SurPASS s programom »Visiolab for SurPASS«………. 50
4 REZULTATI IN DISKUSIJA……………………………………………………........................ 60
4.1 Meritve s cilindrično celico…………………………………………………………………….. 61
4.2 Meritve s celico z nastavljivo reţo…………………………………………………………….. 65
4.3 Primerjava med cilindrično celico in celico z nastavljivo reţo…………………………... 68
4.4 Mejni kisikov indeks……………………………………………………………………………… 69
5 ZAKLJUČEK…………………………………………………………………………………………….. 71
6 VIRI IN LITERATURA……………………………………………………………………………….. 73
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 9
SEZNAM SLIK
Slika 2 – 1: Zgradba molekule celuloze.………………………………………………… 17
Slika 2 – 2: Razvoj bombaţnega ploda………………………………………………… 18
Slika 2 – 3: Morfološka zgradba bombaţnega vlakna………………………………… 19
Slika 2 – 4: Vzdolţni in preĉni videz bombaţnega vlakna……………………………. 20
Slika 2 – 5: Bombaţna vlakna razliĉne zrelosti…………………………………………. 22
Slika 2 – 6: Shema suhega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine ……………… 26
Slika 2 – 7: Shema mokrega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine ……………. 27
Slika 2 – 8: Molekula MAC………………………………………………………………... 27
Slika 2 – 9: Spiralno zavito in splošĉeno modakrilno vlakno ……………………...… 28
Slika 2 – 10: Modakrilno vlakno z neenakomernim premerom in z navzoĉimi
izboklinami po dolţini ………………………………………………………. 28
Slika 2 – 11: Preĉni prerezi od (a) do (i) razliĉnih modakrilnih vlaken………….…….. 29
Slika 2 – 12: Tipiĉna lastnost »fish eye« (ribje oko) …………………………………… 29
Slika 2 – 13: Cikel širjenja plamena ………………………………………………………. 32
Slika 2 – 14: Prikaz elektrokinetiĉnih pojavov …………………………………………... 37
Slika 2 – 15: Shema elektriĉne dvojne plasti po
Gouy-Chapman-Stern-Grahame modelu…………..…………………….. 40
Slika 2 – 16: Enaĉbe za doloĉanje potenciala zeta …………………………………….. 42
Slika 3 – 1: Vzorci prej…………………………………………………………………….. 44
Slika 3 – 2: Vzorci pletenin……………………………………………………………….. 44
Slika 3 – 3: Cirkulacija elektrolita v instrumentu SurPASS …………………………… 45
Slika 3 – 4: Sestavni deli merilnega instrumenta SurPASS ………………………….. 46
Slika 3 – 5: Sestavni deli nosilca ………………………………………………………… 47
Slika 3 – 6: Cilindriĉna celica……………………………………………………………… 47
Slika 3 – 7: Celica z nastavljivo reţo…………………………………………………….. 48
Slika 3 – 8: Sestavni deli cilindriĉne celice in pripomoĉki za namestitev vzorca…… 49
Slika 3 – 9: Sestavni deli celice z nastavljivo reţo …………………………………….. 50
Slika 3 – 10: Pogovorno okno…………………….………………………………………. 50
Slika 3 – 11: Postavitev cevk pri procesu izpiranja ……………………………………... 51
Slika 3 – 12: Pretok elektrolita v odvisnosti od tlaka v CYC……………………………. 52
Slika 3 – 13: Definirani parametri v predlogi za CYC……………………………………. 53
Slika 3 – 14: Parametri med nastavljanjem širine reţe v AGC…………………………. 55
Slika 3 – 15: Pretok v odvisnosti od tlaka pri razliĉnih širinah reţe v AGC ………….. 56
Slika 3 – 16: Definirani parametri v predlogi za AGC…………………………………… 57
Slika 4 – 1: Pretoĉni potencial za vzorec preje CO40:MAC60 v odvisnosti od tlaka
pri razliĉnih dolţinah ĉepa preje.…..……………….……………………... 61
Slika 4 – 2: Pretoĉni potencial za vse vzorce prej v odvisnosti od tlaka pri dolţini
ĉepa preje l=1,1 cm………….……………………………………………… 62
Slika 4 – 3: Pretoĉni potencial za vse vzorce prej v odvisnosti od tlaka pri dolţini
ĉepa preje l=0,7 cm……………….………………………………………… 63
Slika 4 – 4: Odvisnost navideznega potenciala zeta od gostote zloţenosti prej v
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 10
CYC, na podlagi merjenega pretoĉnega toka in potenciala za razliĉne
vzorce sestave bombaţ/modakril……………………………..…………… 64
Slika 4 – 5: A.c. in d.c. upornost pri razliĉnih dolţinah ĉepa preje za vse vzorce….. 65
Slika 4 – 6: Odvisnost navideznega in realnega potenciala zeta od širine reţe
pretoĉnega kanala v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega toka za
razliĉne vzorce pletenin sestave bombaţ/modakrila……………………. 66
Slika 4 – 7: Odvisnost navideznega in realnega potenciala zeta od širine reţe
pretoĉnega kanala v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega
potenciala za razliĉne vzorce pletenin sestave bombaţ/modakril……… 67
Slika 4 – 8: Primerjava navideznega potenciala zeta v CYC, ter navideznega in
realnega potenciala zeta v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega
potenciala za razliĉne vzorce sestave bombaţ/modakril……………….. 68
SEZNAM PREGLEDNIC
Preglednica 2 – 1: Razvrstitev tekstilnih vlaken glede na izvor………………………….. 16
Preglednica 2 – 2: Dolţine in odgovarjajoĉi preseki razliĉnih vrst bombaţnih vlaken… 21
Preglednica 2 – 3: Seznam proizvedenih modakrilnih vlaken.…………………………… 25
Preglednica 2 – 4: Obnašanje tekstilij pri gorenju…………………………………………. 32
Preglednica 2 – 5: Klasifikacija vlaken glede na naĉin gorenja…………………………. 34
Preglednica 3 – 1: Karakteristike uporabljenih vzorcev………………………………….. 43
Preglednica 3 – 2: Rezultati meritve na preji ob upoštevanju aproksimiranega
Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa v CYC…………………… 54
Preglednica 3 – 3: Povpreĉni rezultati meritve na preji ob upoštevanju
aproksimiranega Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa v CYC.. 55
Preglednica 3 – 4: Rezultati meritve na pletenini z upoštevanjem aproksimiranega
Helmholtz-Smoluchowskijevega in Helmholtz-Smoluchowskijevega
pristopa v AGC…………………………………………………………. 58
Preglednica 3 – 5: Povpreĉni rezultati meritve na pletenini z upoštevanjem
aproksimiranega Helmholtz-Smoluchowskijevega in Helmholtz-
Smoluchowskijevega pristopa v AGC……………………………….. 59
Preglednica 4 – 1: Razlike med navideznim ZP (CYC), navideznim ZP (AGC) in
realnim ZP (AGC)……………………… ……………………………... 69
Preglednica 4 – 2: Rezultati merjenja minimalne koncentracije kisika…………………. 70
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 11
UPORABLJENE KRATICE
CO bombaţ (ang. Cotton) po DIN 60 001, EDV
MAC modakril (ang. Modacrylic) po DIN 60 001, ISO 2076
LOI mejni kisikov indeks (ang. Limiting Oxgen Index)
TTF tekstilno-tehnološka fakulteta
UV ultravioliĉno valovanje
PAN poliakrilonitril (ang. Polyacrylonitrile) PES poliesterna vlakna
IEP izoelektriĉna toĉka (ang. Isoelectric point)
IHP notranja Helmholtzova ravnina (ang. Inner Helmholtz Plane)
OHP zunanja Helmholtzova ravnina (ang. Outer Helmholtz Plane)
H-S Helmholtz-Smoluchowski
F-M Fairbrother-Mastin
SurPASS elektrokinetiĉni analizator (ang. Surface Potential Analayzer for Solid
Samples)
CYC cilindriĉna merilna celica (ang. Cylindrical Cell)
AGC merilna celica z nastavljivo reţo (ang. Adjustable Gap Cell)
ZP potencial zeta (ang. Zeta Potential)
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 12
UPORABLJENI SIMBOLI
R monomer (/)
n polimerizacijska stopnja (/)
dI/dp odvod pretoĉnega toka po tlaku A Pa–1
dU/dp odvod pretoĉnega potenciala po tlaku V Pa–1
L dolţina pretoĉnega kanala m
A presek pretoĉnega kanala m2
R elektriĉna upornost znotraj merilne celice Ω
T temperatura ˚C
Grške ĉrke
potencial zeta V
η viskoznost elektrolita Pa s
ε0 permitivnost vakuuma (8,854 10-12) AsV–1 m–1
εr relativna permitivnost elektrolita (/)
κB specifiĉna elektriĉna prevodnost raztopine elektrolita zunaj
pretoĉnega kanala S m-1
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 13
1 UVOD
Tekstilni izdelki nas vsakodnevno spremljajo skozi ţivljenje. V veliki meri jih uporabljamo
za poveĉanje varnosti ter za zagotavljanje zašĉite v nevarnih situacijah. Negorljivost oz.
nizka vnetljivost vlaken spada med vedno bolj zaţelene lastnosti tekstilnih materialov in
zato je le-ta ena izmed najpogosteje zahtevanih funkcionalnih lastnosti. Takšne tekstilije
so tehniĉne tekstilije, prirejene za funkcionalno (namensko) uporabo. Nizka vnetljivost
tekstilnih materialov je torej koristna in tudi uporabna lastnost. Vlakna se razlikujejo po
tem, ali se vnamejo ali ne (so gorljiva ali negorljiva) in pri kateri temperaturi se vnamejo
(temperatura vţiga). Veĉina tekstilij je gorljivih. Mednje uvršĉamo celulozna vlakna
(bombaţ, lan, juta, konoplja, itd.). Bombaţ ima posebne fizikalne in estetske lastnosti, je
naravnega izvora in biorazgradljiv, zato dosega najširši obseg uporabe in predstavlja eno
najbolj zastopanih vlaken v svetovni proizvodnji tekstila. Bombaţna vlakna so lahko
gorljiva (neţelena lastnost), kar pomeni, da gorijo hitro, pri ĉemer se plamen hitro širi
okrog celotnega obmoĉja. Proizvedeni dim lahko povzroĉi opekline, poškodbe dihalnih
poti ali celo smrt. V nasprotju s prej omenjenimi vlakni pa se nekatera sintetiĉna vlakna
(aramid, modakril, azbest, steklo) uprejo vţigu, vendar pri visokih temperaturah lahko
povzroĉijo hude opekline. Modakrilna vlakna se uporabljajo na podroĉju tehniĉnega
tekstilstva zaradi njihove obstojnosti pri visokih temperaturah. Modakrilna vlakna so
kemijsko modificirana poliakrilnitrilna vlakna, kjer se uporabijo kopolimerna vlakna,
sestavljena iz akrilonitrila in vinil klorida ali vinileden klorida. V svoji molekulski strukturi
torej vsebujejo klorove atome, ki zavirajo gorenje. Imajo podobne lastnosti kot volna in
zaradi teh se lahko mešajo v vseh razmerjih.
Za karakterizacijo površin prej in pletenin se kot moţna metoda uporablja metoda
doloĉanja potenciala zeta, (ang. Zeta Potential), ki je eksperimentalno merljiv parameter.
Obstaja veĉ naĉinov, kako ga doloĉiti. Najpogosteje ga doloĉamo na podlagi pretoĉnega
potenciala (ang. Streaming potential) oz. pretoĉnega toka (ang. Streaming current).
Potencial zeta se nanaša na spremembo potenciala na striţni površini med premikajoĉim
in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Ob nabiti površini se ustvari plast ionov
elektrolita. Ioni se adsorbirajo preko elektrostatskih interakcij in imajo naboj nasprotnega
predznaka, kot je naboj na nabiti površini. Na vrednost potenciala zeta vplivajo neĉistoĉe,
aditivi, konĉna priprava površine vlaken, adsorpcije vode ali elektrolita idr. Tehnika
doloĉanja potenciala zeta je izjemno obĉutljiva, ker ţe majhne spremembe površine
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 14
materiala prinašajo velike spremembe pri vrednosti potenciala zeta. Za doloĉanje
potenciala zeta smo v naši raziskavi uporabili elektrokinetiĉni analizator SurPASS (ang.
Surface Potential Analayzer for Solid Samples), katerega proizvajalec je Anton Paar
GmbH iz Gradca, Avstrija. Merilni instrument deluje na principu merjenja pretoĉnega
potenciala in pretoĉnega toka, ki ga ustvarja gibanje elektrolita skozi pretoĉni kanal
merilne celice. Potencial zeta smo na podlagi izmerjenega pretoĉnega toka, dI/dp oz.
pretoĉnega potenciala, dU/dp ovrednotili z aproksimiranim Helmholtz-Smoluchowskijevim
(H-S) pristopom, kot tudi s Helmholtz-Smoluchowskijevim (H-S) pristopom. Kljuĉni del
instrumenta SurPASS predstavlja merilna celica. Meritve so bile izvedene z uporabo dveh
merilnih celic, in sicer s cilindriĉno celico, CYC (ang. Cylindrical Cell) in s celico z
nastavljivo reţo, AGC (ang. Adjustable Gap Cell).
Glede na kompleksnost merjenj pretoĉnega toka/potenciala za doloĉitev potenciala zeta
tekstilnih materialov, se je pojavila potreba po tem, da se ugotovi vpliv doloĉenih
parametrov na potencial zeta ob uporabi razliĉnih merilnih celic. Namen diplomske naloge
je bil raziskati, kako gostota zloţenosti prej v cilindriĉni celici, CYC, vpliva na potencial
zeta in kakšen vpliv ima nanj širina reţe pretoĉnega kanala v celici z nastavljivo reţo,
AGC, v primeru merjenja pletenin. Ugotoviti smo ţeleli tudi, ali so rezultati potenciala zeta
prej in pletenin med seboj primerljivi. V diplomski nalogi smo prikazali tudi rezultate
mejnega kisikovega indeksa, LOI, za iste pletenine, katerih meritve so bile izvedene na
Tekstilno-tehnološki fakulteti v Zagrebu. LOI-indeks pomeni minimalno potrebno vsebnost
kisika v zraku, da vlakno zagori. Ta informacija nam daje podatek o relativni vnetljivosti
tekstilij. Višja kot je LOI-vrednost, tem bolj je pletenina ognjevarna.
Diplomsko delo je strukturirano iz sedmih poglavij, in sicer iz Uvoda, kateremu sledi
Teoretiĉni del, kjer so predstavljene teoretiĉne osnove bombaţa, modakrila in potenciala
zeta. V Eksperimentalnem delu je opisan merilni instrument »SurPASS«, merilni celici in
opis poteka meritev. Poglavje Rezultati in diskusija vsebuje grafiĉno predstavljene
rezultate naše raziskave in njihove razlage. Omenjenemu poglavju sledi Zakljuĉek, v
katerem so podane temeljne ugotovitve naše raziskave. Sledita še poglavji Viri in
literatura ter Priloge.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 15
2 TEORETIČNI DEL
2.1 Tekstilna vlakna
Vlakna (ang. Fibers) so gibka, tanka, paliĉasta telesa, za katera je znaĉilna velika dolţina
in majhna širina ter relativno visoka trdnost. Vlakno je osnovna surovina za izdelavo
tekstilnih materialov. Pridobijo jih iz naravnih materialov ali pa jih izdelajo iz umetnih snovi.
V tekstilne polizdelke in izdelke (preje, vrvice, tkanine, pletiva, itd.) jih predelajo s postopki
predenja, tkanja, pletenja, vezenja. Med seboj se loĉijo po obliki in številnih fizikalnih,
kemiĉnih in bioloških lastnostih. Za obdelavo in predelavo morajo vlakna biti trdna,
trpeţna, raztezna, elastiĉna, voljna, proţna, sprejemljiva za barvila in odporna zoper
vlago. Vsakodnevno smo v stiku z oblaĉili, ki so iz vlaken in nam polepšajo videz ter
zašĉitijo telo pred mrazom, vroĉino, vlago, ognjem, strupi, vrezi in udarci. Idealnega
vlakna, ki bi zadostilo zahtevam in potrebam ĉloveka na vseh podroĉjih, ni. [1, 2]
Zgodovinski razvoj tekstilnih vlaken
Razvoj tekstilnih vlaken sega vse v obdobje prazgodovine. Ljudje so ţe takrat uporabljali
surovine, ki jih je narava nudila, koţe in krzna ţivali ter vlakna razliĉnih rastlinskih delov.
Oblikovana so bila v preprosta oblaĉila, ki so ĉloveku varovala telo. Prvi so ugotovili
uporabo naravnih vlaken Azijci. Mezopotamci so prvi zaĉeli izkorišĉati ovĉjo volno,
Egipĉani lan, Indijci bombaţ (soĉasno so bombaţ odkrili tudi Perujci) in Kitajci svilo.
Ĉlovek izkorišĉa bombaţ ţe 8.000 let. Vse do konca 18. stoletja so bili vsi tekstilni izdelki
izdelani roĉno. Razvile so se tehnike predenja, tkanja in pletenja. Šele z industrijsko
revolucijo je predelava vlaken iz obrtne dejavnosti prerasla v industrijsko proizvodnjo. To
je omogoĉilo veĉjo proizvodnjo tekstilnega blaga in pospešilo porabo vlaken. Do konca
19. stoletja je bila narava edini vir tekstilnih vlaken. V 20. stoletju so odkrili kemiĉna vlaka
(nova vlakna). Ta so nato delno nadomestila naravna vlakna. [2, 3, 4]
Vlakna razvršĉamo na veĉ naĉinov. Glede na izvor se delijo na naravna (ang. Natural
fibers) in kemiĉna (ang. Man-made fibers) vlakna, kar prikazuje preglednica 2 – 1.
Naravna vlakna so vlaknate naravne tvorbe (deli rastlin, ţivali, rudnin), ki jih s primernimi
postopki pridobijo, osamijo, oĉistijo in predelajo v tekstilne izdelke. Naravna vlakna
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 16
razdelimo na rastlinska in ţivalska vlakna. Rastlinska vlakna so bombaţ, konoplja ter lan,
gradnik omenjenih vlaken je celuloza. Ţivalska vlakna so volna, svila in razne dlake.
Gradnik teh vlaken je beljakovina. Kemiĉna vlakna so industrijsko izdelana vlakna iz
naravnih ali s sintezo dobljenih polimernih snovi. Kemiĉna vlakna iz naravnih polimerov
razdelimo na regenerirana celulozna vlakna, modificirana celulozna vlakna, vlakna iz
lateksa in alg. Vlakna iz sintetiĉnih polimerov pa razdelimo na polimerizacijska,
poliadicijska in polikondenzacijska. [4, 5]
Preglednica 2 – 1: Razvrstitev tekstilnih vlaken glede na izvor [6].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 17
Rastlinska (celulozna) vlakna
Celuloza je naravni polimer, sestavljena je iz veĉ molekul glukoze, ki so med seboj
povezane. Nastaja pri fotosintezi v zelenih rastlinah. Pri procesu fotosinteze, kjer se iz
vode in ogljikovega dioksida, pod vplivom sonĉne svetlobe in ob delovanju ustreznih
encimov, najprej tvori glukoza, ki se pretvori v celibiozo in ta dalje v celulozo. Pri procesu
se sprošĉa kisik. Celuloza je oporna snov rastlin in se kopiĉi v steblih, listih, plodovih in
celo v semenih. To so deli rastlin, kjer je lahko celuloza v vlaknati obliki. Deleţ celuloze se
razlikuje glede na vrsto celuloznih vlaken. Najĉistejša celuloza v naravi je bombaţ, ki
vsebuje kar 91% te vlaknate snovi. Celuloza je glavna sestavina rastlinskih vlaken, zato
jih imenujemo tudi celulozna vlakna. Celulozna vlakna (ang. Cellulose fibers) v vodi niso
topna, vendar so higroskopiĉna. To pomeni, da se voda veţe na molekule celuloze in
povzroĉa nabrekanje. [3, 7]
Slika 2 – 1: Zgradba molekule celuloze [3].
Polimerizacijska sintetiĉna vlakna
Polimerizacija je reakcija, kjer se veliko število istovrstnih nenasiĉenih majhnih molekul
spaja v velike molekule ali makromolekule (polimeri) [8]. Polimerizacija je veriţna reakcija,
ki se zaĉne zaradi delovanja svetlobe, toplote, pritiska, zvoka ali katalizatorjev. Zaĉetno
reakcijo polimerizacije imenujejo startna reakcija. Reakcijski zmesi dodajo, ĉe je potrebno,
še regulatorje, ki zagotavljajo prekinitev polimerizacije pri doloĉeni polimerizacijski stopnji.
Konĉni polimerizat ima isto empiriĉno sestavo kot monomer, iz katerega je polimerizat
nastal. Za polimerizacijo velja splošna enaĉba [9]:
n · R = [R]n (2.1)
kjer so: R – monomer, ki sestavlja polimer in
n – število monomerov, ki se spajajo v polimer
(polimerizacijska stopnja).
Polimerizacijo lahko izvedejo tudi z dvema ali veĉ razliĉnimi monomeri, v tem primeru
dobijo heteropolimere ali kopolimere [8]. Veĉina sintetiziranih polimerov, iz katerih so
današnja vlakna, so kopolimeri. Imajo boljše lastnosti kot homopolimeri: na primer imajo
niţje tališĉe, boljšo obarvljivost, izboljšane mehanske lastnosti, npr. elastiĉnost, itd… [2]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 18
2.1.1 Bombaţ
Bombaţ, CO (ang. Cotton), je naravno tekstilno vlakno rastlinskega (semenskega) izvora.
Semenska vlakna so celice, ki rastejo iz koţice semen. Gre torej za predelane semenske
nitke semen rastline bombaţevec (Gossypium).
Danes bombaţ gojijo na velikih plantaţah Amerike, Indije, Egipta in drugod po svetu, kjer
so primerni klimatski pogoji, saj potrebuje tropsko in subtropsko podnebje. Za vsako
drţavo, kjer ga gojijo, je bombaţ industrijsko zelo pomembna surovina. Na plantaţah ga
gojijo kot zel, grmiĉ in redkeje kot drevo. Je veĉletna rastlina, vendar ga vsako leto na
novo vzgojijo. Potrebuje mnogo toplote, vlage in sonca. V mrzlih, vetrovnih legah in v
senci drugih rastlin ne uspeva dobro. Semena sejejo v dobro preorano, zrahljano zemljo,
obogateno z humusom in hranilnimi snovmi. Pribliţno teden dni po setvi semena vzklijejo.
Po šestih tednih se na nizkih grmih bombaţevca z dlanasto deljenimi listi pojavijo prvi
popki, ki se pozneje razvijejo v lepe, velike cvetove. Zunanjo ĉašo cveta sestavljajo trije
nazobĉani listi. Cvete v roţnati, beli in krem barvi, kar prikazuje slika 2 – 2a. Iz cveta se
razvije plod, ki je rjav in nekoliko veĉji kot oreh. Prikazan je na slika 2 – 2b. V vsakem
plodu je 10 – 40 ĉrno rjavih ali temno zelenih semen. Iz pokoţice enega semena se
razvije pribliţno 2000 do 7000 vlaken, vendar vsako vlakno tvori ena celica. V zaprtem
plodu se vlakna med seboj ovirajo, nastaja pritisk, saj ţeli vsako vlakno (celica) ĉim prej k
svetlobi. To oviranje povzroĉi, da se vlakna svedrasto zvijejo. Ti zavoji so neprecenljive
vrednosti za nadaljnjo predelavo vlaken. Po nekaj tednih plod poĉi in bombaţna vlakna v
nekaj dneh na zraku in soncu dozorijo (slika 2 – 2c). Med zorenjem prehaja olje iz semen
v vlakna, ta dobijo lepši lesk, trdnost in razteznost. Ĉez šest mesecev se zaĉne dolga
sezona obiranja. Ker ves bombaţ ne dozori naenkrat, ga obirajo veĉkrat. Obirajo ga roĉno
ali strojno. Obirajo samo popolnoma zreli bombaţ, saj so nezrela vlakna slabše kvalitete.
Obran bombaţ sušijo, obraĉajo, ĉistijo. Ĉišĉenje bombaţnih glavic pomeni loĉevanje
semen od vlaken. Oĉišĉena vlakna stiskajo v velike, v juto zavite bale.
Danes je bombaţ najbolj pomembno rastlinsko vlakno na svetu. Iz njega tkejo blago,
bodisi samo iz ĉistega bombaţa ali pa v kombinaciji z drugimi vlakni. [7, 10, 11]
(a) (b) (c)
Slika 2 – 2: Razvoj bombaţnega ploda
(a) Cvetoĉi bombaţevec, (b) plod bombaţevca in (c) odprt plod z bombaţnimi vlakni na
površini [12, 13, 14].
Kemiĉna sestava bombaţnega vlakna
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 19
Kemiĉna sestava bombaţnih vlaken je odvisna od sorte in pogojev med rastjo. Po
kemijski zgradbi je sestavljen iz 91% celuloze, 7,85% vode, 0,55% protoplazme in
pektinskih snovi, 0,40% voska in mastnih snovi ter iz 0,2% mineralnih soli. [15]
Strukturne znaĉilnosti bombaţnega vlakna
S strukturo opisujemo sestavo celiĉne stene vlaken. Celuloza je sestavni del celiĉnih sten.
Bombaţno vlakno ima plastno strukturo. Notranji del bombaţnega vlakna predstavlja z
zrakom napolnjena cevka, lumen, ki zavzema 2/3 širine vlakna in se proti koncu zoţuje. V
njem je ob rasti protoplazma, ki prehranjuje vlakno in se z dozorevanjem vlakna posuši.
Lumen obdaja terciarna celiĉna stena, v kateri se nahajajo nabrekljive pektinske snovi,
hemiceluloza, naravna barvila, itd. Sledi veĉ plasti sekundarne celiĉne stene, v kateri je
najveĉ razliĉnih plasti vzporedno razporejenih celuloznih fibrilov. Nad njo je primarna
celiĉna stena, sestavljena iz celuloze, pektinov, voskov in proteinov. Zunanja plast
bombaţnega vlakna se imenuje povrhnjica ali kutikula. Povrhnjica sestoji v glavnem iz
voskov, mašĉob in pektina. Kutikula šĉiti vlakno pred zunanjimi vplivi. Ĉim debelejše so
celiĉne stene in ĉim manjši je lumen, tem trdnejše je vlakno. [16, 17, 18]
Slika 2 – 3: Morfološka zgradba bombaţnega vlakna [3].
Karakteristiĉen videz bombaţnega vlakna prikazuje slika 2 – 4, narejena pod elektronskim
mikroskopom. Slika 2 – 4a prikazuje karakteristiĉno strukturo bombaţnega vlakna, po
kateri je vlakno prepoznavno in je po tem tudi identificirano. Na sliki 2 – 4b je viden preĉni
prerez bombaţnih vlaken.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 20
(a) (b)
Slika 2 – 4: Vzdolţni in preĉni videz bombaţnega vlakna
(a) Mikroskopska slika vzdolţnega videza bombaţnega vlakna, (b) mikroskopska slika
preĉnega prereza bombaţnih vlaken [19].
Lastnosti in znaĉilnosti bombaţnih vlaken [1, 3, 16, 19]
Ĉistost
Ĉistost bombaţa je odvisna zlasti od izvora. Ta karakteristika se nanaša na koliĉino
razliĉnih primesi v surovem bombaţu (ostanki semen, listja, stebel, zemlje, praha, peska,
itd…). Vlakna, pridobljena z roĉnim obiranjem, vsebujejo manj takšnih primesi (1,5%) od
vlaken bombaţa, ki je bil obran strojno (do 15%). Zaţelena je ĉim veĉja ĉistoĉa vlaken, saj
neĉistoĉe zelo zniţajo vrednost bombaţa.
Barva
Barva bombaţa je odvisna od rastlinskih pigmentnih barvil, ki so v primarni steni in lumnu.
Barvila nastajajo v vlaknu šele tik pred zorenjem. Barva bombaţa je odvisna od vrste,
zrelosti in klimatskih pogojev, pri katerih je rastlina rastla. Bombaţna vlakna so preteţno
bele do bledo rumene barve. Zdrav, zrel in kvaliteten bombaţ je bele barve. Odstopanja
od bele barve pomenijo slabšo kvaliteto bombaţa.
Dolţina vlaken
Dolţina vlaken je eden najpomembnejših podatkov za doloĉevanje kakovosti bombaţa.
Bombaţna vlakna so relativno kratka. Dolţina vlaken med razliĉnimi sortami bombaţa je
razliĉna in tudi v isti sorti bombaţa najdemo daljša in krajša vlakna. Za predelavo je
zaţeleno, da so vlakna ĉim daljša, da je med njimi ĉim manjša razlika v dolţini in da se
ţe v surovem bombaţu odstranijo kratka vlakna, in sicer do dolţine 12,5 mm. Takšna
vlakna se laţje predejo. Ĉim daljša so vlakna, tem finejše preje lahko iz njih spredejo.
Dolţina vlaken se giblje od 10 do 60 mm. Dolţina vlakna in stopnja razvitosti sekundarne
stene je odvisna od stopnje rasti rastline, tako obstaja tudi povezava med dolţino vlakna
in videzom njegovega preĉnega prereza. Daljša vlakna imajo na splošno bolj razvito
sekundarno steno, vendar pa je vse to odvisno od sorte bombaţa.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 21
Preglednica 2 – 2: Dolţine in odgovarjajoĉi preseki razliĉnih vrst bombaţnih vlaken [19].
Finost vlaken
Bombaţna vlakna so na splošno fina vlakna. Obiĉajno se finost vlaken nahaja v obmoĉju
od 12,5 do 42 tex. Finost (debelina) bombaţa je odvisna od vrste bombaţa oziroma
njegove dolţine. Ĉim daljše je vlakno, tem finejše je. Na finost vpliva tudi zrelost
bombaţa. Nezrela vlakna so zelo fina, a slabih mehanskih lastnosti in slabo obarvljiva.
Finost je lastnost vlaken, ki se izraţa z razmerjem med maso in dolţino vlakna. Finost
imenujemo tudi dolţinska masa vlaken. Od te lastnosti je odvisna trdnost preje, mehkost,
lesk in otip. Izraţamo jo z enotami tex, dtex, mtex. [7]
Zrelost
Zrelost bombaţa se opredeljuje s stopnjo razvitosti sekundarne stene. Po odstotku zrelih
vlaken v vzorcu ga delimo na:
zreli bombaţ, ki ima nad 82% zrelih vlaken,
srednje zreli bombaţ s 76 – 81% zrelih vlaken,
nezreli bombaţ s 70 – 75% zrelih vlaken in
zelo nezreli bombaţ, ki ima pod 70% zrelih vlaken.
Deleţ zrelih in mrtvih vlaken se z razliĉnimi ocenjevalnimi postopki doloĉa z opazovanjem
pod mikroskopom. Slika 2 – 5 prikazuje razlike v obliki, glede na zrelost vlaken. Nezrela
vlakna se teţje predelajo v preje in so slabše kvalitete kot zrela. Zrela vlakna dajo
enakomernejše, kakovostnejše preje, boljše absorbirajo barvila in se enakomerneje
obarvajo.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 22
Slika 2 – 5: Bombaţna vlakna razliĉne zrelosti
(a) mrtva vlakna imajo razvito samo primarno steno, (b) nezrela vlakna imajo slabo
razvito sekundarno steno, (c) zrela vlakna imajo zelo dobro razvito sekundarno
steno [19].
Trdnost
Za bombaţna vlakna lahko reĉemo, da so dokaj trdna in spadajo v skupino srednje trdnih
vlaken. Vendar trdnost variira v odvisnosti od vrste bombaţa in se razteza v obmoĉju od
16 do 52 cN/tex. Trdnejša vlakna omogoĉajo trdnejše preje. Zanimivo je, da so vlakna v
mokrem stanju trdnejša kot pa v suhem. Poveĉana trdnost v mokrem je posledica
nabrekanja vlakna in poveĉanega trenja med plastmi. Trdnost mokrega bombaţa je veĉja
za 5 – 20%. Pretrţni raztezek je 5 – 10% in nanj moĉno vpliva vlaga. Pri normalnih
klimatskih pogojih je pretrţni raztezek 5%, pri nasiĉeni vlagi pa se poveĉa na 10%.
Bombaţno vlakno je relativno odporno proti deformacijam. Je zelo neelastiĉno. Pri 2%
raztezku je stopnja elastiĉnostnega povratka 75%, pri 5% raztezku pa le še 45%.
Vpojnost vlage
Higroskopiĉnost bombaţa ni pomembna le pri predelavi, temveĉ tudi pri uporabi. Zaradi
posebne strukture in kemiĉne sestave sprejema bombaţ vlago iz zraka. Bombaţno vlakno
je zelo dobro higroskopiĉno. Veţe lahko 5 – 9,5% vlage pri standardnih pogojih, t.j. pri
65% relativni vlaţnosti, 15% pri 95% relativni vlaţnosti in 25 – 27% pri 100% relativni
vlaţnosti. V primerjavi z drugimi naravnimi vlakninami je higroskopiĉnost bombaţa
majhna. Zaradi svoje higroskopiĉnosti in hidrofilnosti bombaţna vlakna niso nagnjena k
statiĉnemu naelektrenju.
Gostota
Bombaţ spada med vlakna s srednjo gostoto. Gostota je 1,53 – 1,56 g/cm3. V primerjavi s
sintetiĉnimi tekstilnimi vlakni pa ima bombaţ visoko gostoto.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 23
Toplotna odpornost
Bombaţna vlakna so lahko gorljiva in tudi gorijo naprej, ĉe jih odmaknemo z direktnega
plamena, in torej ne ugasnejo sama. Gorijo dobro in hitro, z rumenim plamenom. Pri
segrevanju bombaţnih vlaken s suho toploto pri temperaturi 50ºC le-ta posteklenijo. Pri
temperaturah med 120ºC in 150ºC vlakna spremenijo barvo, pri temperaturah nad 200ºC
pa se vlakna poškodujejo. Do samovţiga bombaţnih vlaken lahko pride pri 400ºC, pri
temperaturi nad 430ºC pa zoglenijo. Visoke temperature povzroĉijo oksidacijo in
porumenitev. Mejni kisikov indeks bombaţnih vlaken je 19.
Odpornost na mikroorganizme in insekte
Pod doloĉenimi pogoji (npr. vlaţna skladišĉa) se lahko na bombaţnih vlaknih razvijejo
glive, plesni in bakterije, ki pa vlaken ne poškodujejo. Odpornost na glive, plesni in
bakterije je pri beljenem bombaţu dobra, pri nebeljenem pa slaba. Na poškodovanem
bombaţnem tekstilu so vidni temni madeţi. Molji bombaţa ne poškodujejo.
Odpornost na svetlobo in staranje
Bombaţna vlakna izgubijo na trdnosti, ĉe so dalj ĉasa izpostavljena UV ţarkom. Na
splošno so bombaţna vlakna zelo dobro odporna na staranje. Ĉe se bombaţ pravilno
hrani (v suhem in temnem prostoru) za daljše ĉasovno obdobje, je izguba na trdnosti
minimalna.
Odpornost na kemikalije
Bombaţ je odporen proti alkalijam in organskim topilom, koncentrirane anorganske kisline
pa ga zelo moĉno poškodujejo.
2.1.2 Modakril
Modakrilna, MAC (ang. Modacrylic), vlakna so sintetiĉni homopolimeri ali kopolimeri.
Naravno so odporna proti ognju [20]. Vkljuĉevanje halogenskih monomerov daje tem
vlaknom visoko stopnjo odpornosti proti ognju. Modakrilna vlakna so bila prva sintetiĉna
vlakna, ki so bila negorljiva, zelo teţko vnetljiva, samougasljiva in niso kapljala.
Modakrilna vlakna imajo podobne lastnosti kot akrilna vlakna. Veĉje razlike so v tem, da
so modakrilna vlakna negorljiva in imajo boljšo toplotno odpornost v primerjavi z akrilnimi.
[21] So pa tudi manj vzdrţljiva od akrilnih, se ne meĉkajo, imajo zmerno dimenzijsko
stabilnost, visok elastiĉni povratek in dobro obdrţijo barvo [22]. Zato se MAC vlakna
uporabljajo kot sestavina v pohištvu (preproge, zavese, odeje), oblaĉilih (piţame za
otroke, umetno krzno, obloge in okraski) in v drugih raznovrstnih izdelkih, kot so lasulje,
plišaste igraĉe, soboslikarski valji. Modakrilna vlakna se uporabljajo tudi v avtomobilski in
letalski industriji. [21] Za modakrilna vlakna obstaja kar nekaj definicij, kot sledi:
»Federal Trade Comission« opredeljuje modakrilna vlakna kot vlakna, izdelana iz
predilne snovi, v kateri je vsaka dolga veriga sintetiĉni polimer, sestavljen iz manj kot 85%
in najmanj 35% teţe akrilonitrilnih (PAN) enot [23].
»Burean International pourla standardization de la Rayonmet des Fibres
Synthetiques (BISFA)« pa opredeljuje modakrilna vlakna kot vlakna, ki vsebujejo med
50% in 85% mase akrilonitrila v verigi [24].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 24
»Modakrilna vlakna (MAC)« so multipolimerizati, ki vsebujejo najmanj 35% in
najveĉ 85% akrilonitrila [9].
Zaĉetek komercialne proizvodnje modakrilnih vlaken je bil leta 1949 v »Union Carbide
Corporation« v Ameriki. Na zaĉetku so modakrilna in akrilna vlakna uvršĉali v eno
skupino, in sicer zaradi podobne sestave. Leta 1960 je »Federal Trade Commision« loĉila
modakrilna in akrilna vlakna. Modakrilna vlakna so od takrat naprej samostojna skupina.
[20] Prvo modakrilno vlakno, proizvedeno leta 1948 v »Union carbide Corporation« v
Ameriki, je bilo Dynel. Leta 1976 je bilo devet proizvajalcev modakrilnih vlaken v petih
razliĉnih drţavah. Do leta 1985 ni bilo velikih sprememb na tem podroĉju, dokler ni izšel
prvi znanstveni ĉlanek v forenziĉni reviji o priznavanju in prepoznavanju teh vlaken. Od
takrat se je marsikaj spremenilo. Razvili so se nove vrste modakrilnih vlaken, nekatere
vrste pa so opustili. Leta 1991 je bilo na voljo sedem modakrilnih vlaken z zelo razliĉnimi
kemijskimi sestavami. [24] V preglednici 2 – 2 so prikazana modakrilna vlakna skozi
zgodovino.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 25
Preglednica 2 – 3: Seznam proizvedenih modakrilnih vlaken [24].
Proizvodnja modakrilnih vlaken
Modakrilna vlakna proizvajajo s polimerizacijo komponent. Osnovni monomer je akrilonitril
(H2C=CHCN), ki vsebuje dvojno vez v verigi polimera. Z uporabo ustreznega redoks
iniciatorja, v dvojni vez monomera razpade π – vez in iz molekule nastane radikal, ki je
izrazito reaktiven. Na nastali reaktiven radikal se veţe naslednja molekula monomera in
naslednja molekula drugega monomera, itd. Na ta naĉin molekula hitro raste in nastane
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 26
linearni makromolekulski ĉlen – makroradikal (polimer), kateremu je rast prekinjena, ko se
doseţe zadovoljiva stopnja polimerizacije. Druga prevladujoĉa komponenta pri
pridobivanju polimerov za modakrilna vlakna je halogenski monomer. Halogenski
monomer je obiĉajno vinil-klorid (CH2=CHCl) ali vinileden-klorid (CH2=CCl2). Ko je
doseţena zadovoljiva stopnja polimerizacije, sledi raztapljanje polimerizata v topilu.
Uporabljajo se topila z relativno nizkim vrelišĉem, npr. aceton. Nastane teţko tekoĉa
zmes, imenovana predilna raztopina. Za izpredanje vlaken se lahko uporablja suhi (slika 2
– 6) ali mokri (slika 2 – 7) postopek. Predilna raztopina se vodi do predilne šobe s
pomoĉjo ĉrpalk. Z iztiskanjem predilne raztopine skozi luknjice predilne šobe v tok
vroĉega zraka pri suhem predenju, kjer topilo izhlapi, se vlakna strdijo. Pri mokrem
predenju se predilna raztopina vodi preko šob v koagulacijsko kopel, kjer se topilo, v
katerem je polimer raztopljen, nevtralizira in vlakna se strdijo. Zasnova strukture in s tem
zasnove lastnosti vlaken se zaĉnejo v predilni šobi, in sicer pri toku predilne raztopine
skozi tanke šobe in dalje, vse dokler se polimerni curek v predilnem jašku ne strdi. Med
odstranjevanjem topila poteka soĉasno tudi delna kristalizacija polimera. Nastala vlakna
se nato raztezajo in segrevajo. Pri raztezanju se preoblikuje struktura oblikovanih vlaken.
Raztezna sila povzroĉi rušenje in drobljenje kristalnih tvorb, ki so nastale pri strjevanju
vlaken, in njihovo preoblikovanje v mikrofibrile. Po raztezanju so vlakna izpostavljena
povišani temperaturi (toplotnemu stabiliziranju), da se doseţe dimenzijska stabilnost
vlaken. Sledi nanašanje preparacijskih sredstev (za zbijanje statiĉnih lastnosti), kodranje,
sušenje in rezanje vlaken. Suho predenje daje bolj gladka in manj porozna vlakna, kot pa
bi jih dobili z mokrim predenjem. Rezano vlakno Dynel se proizvaja z mokrim predenjem,
Vercel je pa suho predeno vlakno. Proizvodnja MAC vlaken je zelo podobna proizvodnji
akrilonitrilnih vlaken. [2, 7, 21, 24]
Slika 2 – 6: Shema suhega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine [2].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 27
Slika 2 – 7: Shema mokrega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine [2].
Kemiĉna sestava modakrilnega vlakna
Modakrilna vlakna so sestavljena iz 35 – 85% akrilonitrila in 15 – 65% vinil-klorida ali
vinileden-klorida [19].
Slika 2 – 8: Molekula MAC [19].
Strukturne znaĉilnosti modakrilnega vlakna
Modakrilna vlakna so sestavljena iz komonomerov, ki imajo velike nitrilne (-C≡N) skupine
na straneh. Zaradi teh skupin prihaja do minimalnih intermolekularnih sil v strukturi.
Makromolekule se med seboj povezujejo z Van der Waals-ovimi vezmi. Pri tem ne
moremo govoriti o pravilni tridimenzionalni kristalni strukturi, kot je to pri veĉini drugih
vlaken. Modakrilna vlakna vsebujejo pribliţno 40% kristalnih podroĉij. Deleţ kristalnih
podroĉij v vlaknu je doloĉen s polimerom, ki ga gradi.
Modakrilna vlakna se lahko pojavijo v razliĉnih oblikah, od katerih nekatere ne kaţejo
obiĉajnih lastnosti in jih zlahka zamenjamo z akrilnimi vlakni. Morfološko obstaja nekaj
znaĉilnosti, ki kaţejo, da je vlakno modakrilno, ne pa akrilno. Vlakna so lahko spiralno
zavita in splošĉena (slika 2 – 9) in/ali imajo zelo neenakomeren premer ali pa so navzoĉe
kjer je: X=H, Y=Cl (vinil-klorid)
ali
X=Y=Cl (vinileden-klorid).
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 28
izbokline po dolţini (slika 2 – 10). Pojavljajo se preĉni prerezi oblik, ki jih ni mogoĉe najti v
akrilnih vlaknih (slika 2 – 11). [2, 21, 24]
Slika 2 – 9: Spiralno zavito in splošĉeno modakrilno vlakno [24].
Slika 2 – 10: Modakrilno vlakno z neenakomernim premerom in z navzoĉimi izboklinami
po dolţini [24].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 29
Slika 2 – 11: Preĉni prerezi od (a) do (i) razliĉnih modakrilnih vlaken [24].
Kadar v raztopini ostanejo neraztopljeni delci polimera, nastanejo vlakna z znaĉilnim
videzom. Oznaka za to tipiĉno lastnost je »fish eye« (ribje oko), kar je vidno na sliki 2 –
12. [24]
Slika 2 – 12: Tipiĉna lastnost »fish eye« (ribje oko) [24].
Lastnosti in znaĉilnosti modakrilnih vlaken [2, 7, 9, 19, 20, 21, 24, 25, 26]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 30
Barva
Modakrilna vlakna so kremaste ali bele barve. Proizvajajo jih v rezani obliki in obliki
pramenov.
Dolţina vlaken
Dolţina vlaken se giblje med 28 mm in 120 mm [27].
Finost vlaken
Finost vlaken se nahaja v obmoĉju od 1,5 do 20 dtex.
Trdnost
Vlakna so srednje trdnosti in so dvakrat moĉnejša od volnenih vlaken. Dobro so odporna
proti obrabi. Trdnost vlaken se giblje v obmoĉju od 17 do 55 cN/tex in je odvisna od
oblike prereza. Natezna trdnost v suhem je 15 – 30 cN/tex, v mokrem pa 1,5 – 25 cN/tex.
V mokrem stanju se trdota zmanjša za pribliţno 5%. Pretrţni raztezek v suhem je 25 –
45% in v mokrem 27 – 48%. Je elastiĉno vlakno. Pri 2% raztezku je stopnja elastiĉnega
povratka 95 – 99%, pri 5% raztezku pa 80 – 95%.
Vpojnost vlage
Njihova vpojnost je nizka. Imajo niţjo absorbcijsko moĉ kot naravna vlakna. Veţe lahko
0,4 – 4,0 % vlage pri standardnih pogojih, t.j. pri 65% relativni vlaţnosti.
Gostota
Modakrilna vlakna imajo relativno nizko gostoto, ki znaša 1,35 – 1,37 g/cm3.
Toplotna odpornost
Pri temperaturi med 135 – 160ºC se vlakna zaĉno mehĉati. Pri temperaturi med 200 -
210ºC se vlakna talijo. Modakrilna vlakna niso termoplasti. Segrevanje vlaken pri visokih
temperaturah nad 250ºC pomeni njihov razpad brez taljenja. Vedenje modakrilnih vlaken
pri gorenju je precej drugaĉno od vedenja bombaţnih vlaken. Zaradi vsebnosti spojin
klora v komonomeru se doseţejo lastnosti, ki zmanjšajo gorljivost in vnetljivost vlaken.
Modakrilna vlakna so samougasna, to pomeni, da ko jih odstavijo z ognja, prenehajo
goreti. Torej je njihova glavna znaĉilnost to, da so teţko gorljiva. Mejni kisikov indeks je
odvisen od odstotka komonomera, ki vsebuje halogen (klor) in se giblje med 26 – 31.
Modakrilna vlakna so slabi prevodniki toplote.
Odpornost na mikroorganizme in insekte
Ţivalski škodljivci (molji), bakterije in plesni ne naĉenjajo vlaken. Odpornost proti trohnenju
je dobra.
Odpornost na svetlobo in staranje
Modakrilna vlakna so odliĉno odporna na sonĉno svetlobo. Tudi dolgotrajna
izpostavljenost soncu ne vpliva negativno na trdoto vlaken. Modakrilna vlakna se ne
starajo. Vlakna porumenijo šele pri zelo dolgem osvetljevanju s sonĉno svetlobo.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 31
Odpornost na kemikalije
So odporne na kisline, šibke baze in veĉino organskih topil.
2.1.3 Ognjevarne tekstilije
Vsi tekstilni materiali gorijo, vendar so nekateri bolj gorljivi kot drugi. Negorljivost oz. nizka
vnetljivost tekstilij je ena najbolj zaţelenih lastnosti. Lastnosti tekstila so odvisne od
znaĉilnosti osnovnih vlaken. Naravna vlakna, kot so bombaţ, lan in svila gorijo hitreje kot
volna in nekatera sintetiĉna vlakna. Bombaţ je zaradi svojih lastnosti vsestransko
uporaben. Je vpojen material in »diha«. Neţelene lastnosti, kot so krĉenje,
hidrofilnost/hidrofobnost in gorljivost se lahko z razliĉnimi plemenitilnimi postopki in z
mešanjem bombaţa s sintetiĉnimi vlakni zmanjšajo. Za veĉjo odpornost proti ognju se
lahko dodajo modakrilna vlakna, ki so skoraj popolno odporna na ogenj. To sintetiĉno
vlakno je bilo zasnovano in izdelano z namenom, da ima negorljive lastnosti. Bombaţna in
modakrilna vlakna lahko med seboj mešajo v razliĉnih razmerjih in tako dobijo preje in
pletenine, ki imajo znaĉilnosti osnovnih (obojih) vlaken.
Oblaĉila, tekstilije za pohištvo, vzmetnice itn. so pogosto izpostavljene ognju. Talne
obloge in stenske obloge pripomorejo k razširjenju ognja, vendar obiĉajno niso iz
materialov, ki najprej zgorijo. [28]
Gorljivost je pomembna karakteristika tekstilnih izdelkov. Pri tem so pomembni tudi
razkrojni produkti. Gorenje je reakcija pri visoki temperaturi, ob tem se sprošĉa dovolj
toplote, da se taka reakcija sama vzdrţuje. Produkt vsakega procesa gorenja so ogljikov
oksid (CO) in ogljikov dioksid (CO2) in voda. Reakcijo vedno spremlja sevanje svetlobe in
toplote. Gorenje je cikliĉni proces. Pri razpadu trdne faze dobimo gorivo, ki omogoĉa
gorenje, tvorijo se namreĉ hlapni vnetljivi produkti, ki zagorijo, ko v mešanici s kisikom
doseţejo mejo gorljivosti, ki rezultira v hitri reakciji oksidacije. [29]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 32
Slika 2 –13: Cikel širjenja plamena [30].
Gorenje vlaken na zraku je odvisno od koliĉine kisika (O2). V zraku je 21% kisika (O2).
Vlakna, ki jim tolikšna koliĉina kisika (O2) zadostuje za vzdrţevanje gorenja, gorijo na
zraku. Merska vrednost, ki oznaĉuje gorenje tekstilnih vlaken, je mejni kisikov indeks.
Mejni kisikov indeks je minimalna koncentracija kisika (O2) v mešanici kisika (O2) in dušika
(N2), ki še omogoĉa oz. podpira gorenje vlaken pri doloĉenih pogojih preskušanja. [28]
Preglednica 2 – 4: Obnašanje tekstilij pri gorenju [28].
GORLJIVE TEKSTILIJE so tekstilije, ki zagorijo, gorijo ali oddajajo
gorljive hlape, ko so izpostavljene zunanjemu viru gorenja.
NEGORLJIVE TEKSTILIJE so tekstilije, ki ne gorijo in niti ne oddajajo
gorljivih hlapov, ko so izpostavljene zunanjemu viru gorenja.
.
PLAMENEĈE gorljive tekstilije gorijo s plamenom.
NEPLAMENEĈE gorljive tekstilije gorijo brez
plamena.
NEVARNO GORLJVE tekstilije tako hitro
zagorijo in gorijo, da je teţko uiti brez vidnih
posledic.
NORMALNO GORLJIVE tekstilije gorijo, med seboj pa
se razlikujejo po naĉinu gorenja.
OGNJEVARNE tekstilije, pri katerih je
gorljivost omejena, prekinjena ali ovirana
ob ali brez vira gorenja.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 33
Negorljive tekstilije ne gorijo, niti ne oddajajo hlapov, ki bi goreli, ko so izpostavljene
zunanjemu viru gorenja. Tekstilije, izdelane iz steklenih ali azbestnih vlaken, so negorljive.
To ne pomeni, da so te tekstilije neuniĉljive v ognju. Pri visokih temperaturah se veĉina
vlaken topi.
Gorljive tekstilije (plameneče in neplameneče). Veĉina tekstilij je gorljivih. Kadar so
izpostavljene zunanjemu, odprtemu viru gorenja (vţigalica, cigareta) ali poveĉanemu
sevanju toplote iz peĉice ali elektriĉnega štedilnika, gorijo ali oddajajo hlape, ki gorijo.
Gorljive tekstilije, ki gorijo s plamenom, so plameneĉe gorljive tekstilije, tiste, ki ne gorijo s
plamenom, pa neplameneĉe gorljive tekstilije. Veĉina tekstilij je plameneĉe gorljivih.
Gorljive tekstilije se med seboj razlikujejo po tem:
kako hitro zagorijo,
ali se pri tem topijo ali ne,
koliko toplote in dima oddajajo, ko gorijo,
kako hitro se lahko pogasijo, itn. [28]
Nevarno ali hitro gorljive tekstilije se vţgejo in gorijo s takšno lahkoto, da je pobeg iz
goreĉega okolja, v katerem gorijo, praktiĉno nemogoĉ.
Ognjevarne tekstilije so tekstilni materiali, ki so odporni na visoke temperature. Šĉitijo pred
ognjem, kar pomeni, da prepreĉujejo vţig, prevajanje toplote, taljenje in oddajanje
strupenih plinov. Gorijo z zelo malim plamenom, ne nudijo popolne zašĉite, njihova
stopnja zašĉite je razliĉna. To so ognjevarna vlakna, kjer ognjevarnost doseţemo zaradi
strukture same oz. ţe med postopkom oblikovanja oz. izpredanja. To so aramidna vlakna
(Nomex®), modakrilna (Velicren®), oksidirana akrilna vlakna (Panox®), ognjevarna PES
vlakna (Trevira CS®), ognjevarna viskozna vlakna (Visil®), volnena vlakna ali vlakna,
obdelana z ognjevarnimi sredstvi. [31] Ognjevarne tekstilije lahko pridobimo na veĉ
naĉinov, in sicer z uporabo ognjevarnih vlaken, z uporabo modificiranih ognjevarnih
vlaken, apreturo tekstilij ali s spreminjanjem strukture tekstilij [28].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 34
Preglednica 2 – 5: Klasifikacija vlaken glede na naĉin gorenja [28].
Vlakno Klasifikacija
Negorljive
Azbest
Steklena
Anorganska vlakna
ogljik
politetrafluoretilen
silikat
Gorljive
Modakrilna
Aramidna Po naravi ognjeodporna
PBI Naravno teţje gorljiva
Ţveplena
Volna
Bombaţ Teţje gorljiva vlakna zaradi dodatkov
Rayon Ognjeodpornost se doseţe s kemiĉnimi modifikacijami (aditivi ali apreture)
Najlon
Poliester
Volna
Svila
Bombaţ
Posebna celuloza
Rayon
Najlon Normalno gorljiva (regularna)
Poliester
Olefin
Gumijasta
Spandex
Gorljivost tekstilij se oceni glede na hitrost širjenja plamena, ki se poda kot ĉas v
sekundah, potreben za širitev plamena na doloĉeni dolţini vzorca, ki ima obliko traku.
Preskušanje gorljivosti tekstilij je standardizirano. Doloĉajo se sposobnost vnetljivosti
tekstilij, naĉin in ĉas gorenja, hitrost in naĉin širjenja plamena ter koliĉina oddane toplote.
Pomembni so tudi merjenje koliĉine dima in strupenih plinov, ogorki ter doloĉanje LOI
vrednosti. Veĉina standardnih metod se omejuje na doloĉanje vnetljivosti in hitrosti širjenja
plamena. [29]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 35
2.1.3.1 Mejni kisikov indeks
Mejni kisikov indeks predstavlja minimalno potrebno vsebnost kisika v zraku, da vlakno
zagori. Metoda se pogosto uporablja pri raziskavah in nadzoru kakovosti za doloĉanje
relativne vnetljivosti polimernih materialov. V veliki meri pa so uporabljena za ocenjevanje
relativne vnetljivosti gume, tekstila, papirja, premazov in drugih materialov. [30] Ker lahko
LOI doloĉamo le pleteninam, medtem ko ga prejam ne moramo, se iz preje izdela kos
pletenine (vzorec). Vzorec izpostavimo viru ognja in goreĉega postavimo v instrument za
merjenje mejnega kisikovega indeksa, z natanĉno odmerjeno mešanico kisika (O2) in
dušika (N2) ter postopno zmanjšujemo deleţ kisika (O2), dokler preizkušen kos tkanine ne
ugasne [30]. Mejna koncentracija kisika (O2) v mešanici je LOI. Višja kot je, bolj je vlakno
odporno na ogenj. Vlakna, ki imajo LOI nad 26, so ognjevarna vlakna.
Pri postopku doloĉanja LOI vrednosti si je predhodno potrebno pripraviti epruvete dimenzij
14 x 5,2 cm v smeri osnove in votka. Pred merjenjem je vzorce potrebno vzdrţevati pri
doloĉenih pogojih, in sicer 24 ur v prostoru s standardno atmosfero za testiranje (T = 65 ±
2 °C). [32]
Zaĉetna koncentracija kisika v vzorcu ni znana. Material mora najprej goreti na zraku in
preuĉiti moramo naĉin, kako gori [32]:
- ĉe zgori hitro, doloĉimo koncentracijo kisika pod 22%,
- ĉe gori kratek ĉas in plamen hitro ugasne, doloĉimo koncentracijo kisika od 22 do 27%,
- ĉe na zraku ne gori, doloĉimo zaĉetno koncentracijo nad 28%.
Koncentracija dušika se odĉita iz tabele na podlagi doloĉene koncentracije kisika
(koncentraciji kisika in dušika sta medsebojno odvisna parametra).
Potrebno je nastaviti izbran pretok kisika in dušika, poĉakati okrog 30 s, nato se vzorec
vţge in plamenu je izpostavljen 5 s. Ĉe vzorec po odstranitvi vira plamena še naprej gori s
tihim plamenom, kot npr. sveĉa, zaĉnemo meriti ĉas, ki je potreben, da vzorec izgori. Ĉe
je plamen premoĉan in vzorec prehitro izgori, je treba zmanjšati koncentracijo kisika. Ĉe
plamen ugasne, preden izgori celoten vzorec, je treba poveĉati koncentracijo kisika. [32]
2.1.4 Površinske (elektrokinetiĉne) lastnosti bombaţa in modakrila
Adsorpcija je vezanje plinastih ali raztopljenih snovi na površini trdne snovi zaradi
delovanja molekulskih sil [33]. Skozi adsorpcijski proces pride do poveĉanja dostopnih
aktivnih skupin na površini vlaken. Domneva se, da je ta modifikacija glavni vzrok za
spremembo elektrokinetiĉnih lastnosti površine trdne faze in za interakcije s
komponentami v tekoĉi fazi. Odvisna je od disociiranih skupin na površini trdne faze OH-
/H+ ionov in prav tako tudi od kemijsko-fizikalnih lastnosti, pH-vrednosti, ionske moĉi in
koncentracije tekoĉe faze. [34] Vlakna, ki veţejo malo vode na površino z adsorpcijo, so
hidrofobna vlakna. Vlakna, ki dobro veţejo vodo, so hidrofilna vlakna, ker imajo zelo veliko
polarnih funkcionalnih skupin. Takšna so predvsem bombaţna, beljakovinska, poliamidna
in polivinilalkoholna vlakna. Bombaţna vlakna vsebujejo veliko število OH-skupin, preko
katerih se celulozne molekule obdajo z molekulami vode in se hidratizirajo. [33] Celulozna
vlakna kaţejo zelo polarno površino zaradi prisotnosti hidroksilnih skupin. Te hidroksilne
skupine omogoĉajo nastanek vodikovih vezi. Ampak, da bi dobili dostop do teh
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 36
hidroksilnih skupin, je treba odstraniti plast pektina in vošĉenih snovi. Po drugi strani pa je
visoka polarnost površine celuloznih vlaken razlog za njihovo hidrofilno obnašanje, ki
povzroĉa nabrekanje vlaken. [5] Akrilna in modakrilna vlakna so edina vlakna, narejena iz
monomera z dvojnimi vezmi ogljik-ogljik. Akrilonitril je edini takšen monomer z dovolj
polarnimi skupinami (nitrilne skupine), da bo dal polimer z visokimi sekundarnimi silami,
katere so zahtevane v vlaknu. [35] Po drugi strani so modakrilna vlakna sestavljena iz
komonomerov z obseţnimi stranskimi skupinami, tako da so prisotne minimalne
molekularne sile v strukturi vlakna [36]. Modakril je hidrofobno vlakno. Le-ta lahko veţejo
malo vode, ali jo odbijajo ali pa potrebujejo dalj ĉasa, da postanejo mokre. [37] Akrilna in
modakrilna vlakna so edinstvena med sintetiĉnimi vlakni in sintetiĉnimi tkaninami, saj
imajo neravno površino [38].
Adsorpcija vode ali elektrolita povzroĉa nabrekanje površinskega sloja vlaken. Tako se
velikost reaktivne površine poveĉa, lastnosti disociiranih skupin pa se ne spremenijo.
Postopek nabrekanja zmanjša potencial zeta ( ) zaradi premika striţne ploskve v tekoĉo
fazo. To lahko uporabimo za doloĉanje dostopnosti disociiranih skupin z merjenjem
potenciala zeta v odvisnosti od pH. Adsorpcija kationov (elektrolit) na anionsko površino
(površina bombaţa) se kaţe v zmanjševanju negativnega potenciala zeta. V primeru, ko
imamo enako število kationov in anionov na površini materiala, doseţemo izoelektriĉno
toĉko, IEP (ang. Isoelectric point), kjer je zeta potencial enak niĉ. Ĉetudi imamo preseţek
kationov na trdni površini in površina dobi pozitiven naboj, pri tem ne opazimo sprememb
v kemijski naravi površine. [34]
2.2 Elektrokinetični pojavi
Elektrokinetika je splošen izraz, ki zajema gibanja med dvema nabitima fazama. Ena
nabita faza je trdna (površina, koloidni delci), druga pa tekoĉa (raztopina elektrolita). Med
samim procesom je vedno ena faza stacionarna, druga pa mobilna. Prisotnost gibanja
nabitih delcev opisujejo elektrokinetiĉni pojavi. Elektrokinetiĉni pojavi spadajo med
navzkriţne pojave, to pa zato, ker lahko neka gonilna sila povzroĉi tok, ki ji ni neposredno
konjugiran in obratno. Pri teh pojavih sreĉujemo dva tokova, volumski tok in elektriĉni tok
raztopine. Odvisno od pojava so lahko prisotni gonilni sili, tlak ali pa elektriĉna napetost.
Do elektrokinetiĉnega pojava pride takrat, ko poskuša gonilna sila razdeliti tekoĉino na
nepremiĉni in difuzijski del in pri tem nastane t.i. elektriĉna dvojna plast. Glede na nabito
površino oz. nabite delce v raztopini elektrolita poznamo razliĉne elektrokinetiĉne pojave.
Najbolj znani pojavi so pretoĉni potencial, sedimentacijski potencial, elektroforeza in
elektroosmoza, ki so prikazani na sliki 2 – 14. [39, 40]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 37
PRETOČNI POTENCIAL SEDIMENTACIJSKI POTENCIAL
ELEKTROFOREZA ELEKTROOSMOZA
Slika 2 – 14: Prikaz elektrokinetiĉnih pojavov [40, 41].
Elektrokinetiĉni pojavi so odvisni od gonilne sile in od narave trdne in tekoĉe faze.
Razlikujejo pa se glede na dva kriterija. Prvi kriterij pravi, da se lahko giblje raztopina
elektrolita ali nabita površina. Ĉe se giblje raztopina elektrolita, je medtem nabita površina
stacionarna. Primer takšnega gibanja sta elektroforeza in sedimentacijski potencial, ki sta
konjugirana pojava. Ali pa se giblje nabita površina, medtem pa je raztopina elektrolita
stacionarna. Takšno gibanje prikazuje elektroosmoza in pretoĉni potencial, ki sta prav
tako med seboj konjugirana pojava. Vzrok za to gibanje je elektriĉni potencial, ki povzroĉi
tlaĉno razliko in obratno; tlaĉna razlika povzroĉi gibanje (tekoĉine, ionov), zaradi ĉesar
nastane razlika v elektriĉnem potencialu. Iz tega lahko razberemo, da lahko loĉimo
elektrokinetiĉne pojave med seboj tudi glede na delujoĉo gonilno silo. To pa je drugi
kriterij. Gonilna sila pri elektroforezi in elektroosmozi je elektriĉno polje. Elektriĉno polje
razprši trdne delce v raztopini in pride do elektroosmotskega prenosa tekoĉine skozi
fiksen kapilarni sistem oz. do elektroforetskega gibanja trdnih delcev. Pri pretoĉnem
potencialu in sedimentacijskem potencialu pa je to mehanska sila (tlak pri pretoĉnem
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 38
potencialu in uĉinek gravitacije pri sedimentacijskem potencialu). Pretoĉni in
sedimentacijski potencial se pojavita takrat, ko se sloj tekoĉine med relativnim gibanjem
razdeli na nepremiĉni in difuzijski sloj in se ustvari potencialna razlika. [40]
Elektrokinetiĉni pojavi dajejo številne informacije o opazovanem sistemu, kot je na primer
hidrofilnost, hidrofobnost površin, predznak naboja mirujoĉe površine ali gibajoĉih se
delcev, gostota naboja in intenzivnost adsorpcije [39].
Pregled elektrokinetiĉnih pojavov [34, 39, 42]:
Ko ustvarjena tlaĉna razlika vzdolţ nabite površine povzroĉi volumski tok takrat govorimo
o pretočnem potencialu. Volumenski tok raztopine povzroĉi kopiĉenje ionov ob tej nabiti
površini. Zaradi tega nastane elektriĉna napetost, ki v nasprotni smeri volumskega toka
poţene elektriĉni tok.
Ko zunanja sila (gravitacijski potencial) sproţi gibanje veĉjih nabitih delcev (npr. koloidov)
in je raztopina elektrolita stacionarna, govorimo o sedimentacijskem potencialu.
Sedimentacijski potencial je elektriĉna napetost, ki nastane zaradi volumskega toka, ki ga
povzroĉijo nabiti delci, ko se akumulirajo vzdolţ pretoka. Nastane elektriĉno polje, ki
usmeri elektriĉni tok v nasprotno smer.
Pri elektroforezi zunanja elektriĉna napetost povzroĉi, da se enako nabiti makroskopski
delci zaĉno gibati, tekoĉina pa je pri tem stacionarna. Na podlagi gibanja teh nabitih
delcev nastane razlika v tlaku. Nastala razlika v tlaku povzroĉi volumski tok delcev. Tako
ustvarjena elektriĉna napetost povzroĉi nastanek tlaĉne razlike, medtem ko elektriĉni tok
povzroĉi nastanek volumskega toka.
V primeru elektroosmoze ustvarimo elektriĉno napetost. Ta elektriĉna napetost omogoĉi
gibanje ionov v raztopini elektrolita, nabita površina pa je pri tem stacionarna. Zaradi
razliĉnega števila anionov in kationov v difuzijski plasti se v smeri elektriĉnega polja giblje
veĉ ionov kot v nasprotni smeri, ker so tudi ioni prisotni v raztopini. Gibanje ionov povzroĉi
volumski tok in poslediĉno nastane tlaĉna razlika.
2.3 Električna dvojna plast
Dvojni elektriĉni sloj oz. elektriĉna dvojna plast je osnovni model nabite površine v
raztopini elektrolita [43].
Ob stiku z vodo ali vodno raztopino se površine trdnih delcev elektriĉno nabijejo. Elektriĉni
naboj, ki je na površini teh trdnih delcev, ustvari elektriĉno polje. Elektriĉno polje pa
poslediĉno vpliva na porazdelitev gibljivih ionov elektrolita v raztopini ob nabiti površini.
Ioni se razporedijo tako, da je koncentracija nasprotno nabitih ionov, kot so ioni na
površini materiala, veĉja na podroĉju površine materiala. Z oddaljevanjem od nabite
površine se vpliv elektriĉnega naboja manjša. Z oddaljenostjo je porazdelitev nabojev
vedno bolj homogena. [33]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 39
Je torej preprost model mejne ploskve, ki jo sestavljata pozitivno nabita površina trdne
faze in negativno nabita površina tekoĉe faze ali obratno. Poznamo razliĉne modele za
opis porazdelitve ionov elektrolita in potek potenciala ob nabiti površini trdnega telesa.
[44]
Model opisuje porazdelitev naboja in odgovarjajoĉe spremembe potenciala, glede na
razdaljo od trdne površine. Kopiĉenje naboja na meji med trdno in tekoĉo fazo (nastajanje
dvojnega elektriĉnega sloja) temelji na:
- disociaciji funkcionalnih skupin materiala,
- disociaciji ionov iz raztopine in
- adsorpciji polielektrolitov, ionskih površinsko-aktivnih snovi in nabitih
makromolekul.
V zgodovini se je pogled na elektriĉno dvojno plast spreminjal, razvijal in dopolnjeval.
Tako poznamo, glede na predstave o razporeditvi ionov v raztopini elektrolita, veĉ
modelov, in sicer
Helmholtzov model,
Gouy-Chapmanov model,
Sternov model,
Grahameov model.
Predstavili bomo sodobnejši Gouy-Chapman-Stern-Grahameov model, ki je bil zasnovan
na zgoraj omenjenih modelih, katere je Grahame le dopolnil. Sreĉujemo ga najpogosteje
pri obravnavi modela nabite površine v raztopini elektrolita. Model upošteva lastnosti in
strukturo vodnih molekul v raztopini. Graham je Sternov sloj razdelil v dve plasti, in sicer
na notranjo Helmholtzovo plast, IHP (ang. Inner Helmholtz Plane) in na zunanjo
Helmholtzovo plast, OHP (ang. Outer Helmholtz Plane).
Notranjo Helmholtzovo plast sestavljajo vodne molekule tik ob površini in so urejene tako,
da je interakcijska energija s površinskim nabojem minimalna. Te molekule vode se ob
površini usmerjajo kot dipoli, glede na predznak naboja na površini. Kadar je površina
nabita pozitivno, se vodne molekule ob površino postavijo s kisikovimi atomi (negativen
del dipola), sicer pa z vodikoma (pozitiven del dipola).
V notranjosti Helmholtzove plasti so tudi ioni, ki so manj gibljivi in so zaradi tega
prednostno adsorbirani. Notranja Helmholtzova plast poteka skozi centre teh ionov.
Grahameov model predpostavlja hidratiranost ionov; ioni so torej obdani z vodnimi
molekulami. Kot posledica prostorninskih omejitev so kationi bolj hidratirani kot anioni; tj.
anione pri gibanju v raztopini omejuje manj vodnih molekul kot katione in pogosto sploh
niso hidratirani. Zato so v notranji Helmholtzovi plasti, ne glede na predznak naboja na
površini, prednostno adsorbirani anioni, ker je to posledica manjše hidratiranosti anionov
glede na katione. Interakcija, ki povzroĉi prednostno adsorpcijo anionov v notranji
Helmholtzov sloj, se imenuje hidrofobna interakcija.
Zunanjo Helmholtzovo plast sestavljajo adsorbirani ioni, ki so nasprotnega predznaka kot
naboj na površini in v bistvu predstavlja to Sternovo ravnino. Torej zunanja Helmholtzova
plast je Sternova ravnina in gre skozi centre teh ionov. Na drugi strani zunanje
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 40
Helmholtzove plasti je difuzijski sloj. Bistvena ugotovitev pri tem modelu je bila, da se v
notranjo Helmholtzovo plast vedno preferenĉno adsorbirajo anioni, pa ĉe tudi je površina
negativna. [39, 40]
Slika 2 – 15: Shema elektriĉne dvojne plasti po Gouy-Chapman-Stern-Grahame modelu
[45].
2.4 Določanje pretočnega potenciala/toka oz. potenciala zeta
Elektrokinetiĉni potencial oz. potencial zeta se nanaša na spremembo potenciala na
striţni površini med premikajoĉim in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Ob nabiti
površini se ustvari plast ionov elektrolita. Ioni se adsorbirajo preko elektrostatskih
interakcij in imajo naboj nasprotnega predznaka, kot je naboj na nabiti površini. To sta
Helmholtzovi plasti, zunanja in notranja, omejujeta volumski tok raztopine vzdolţ površine.
Na neki razdalji od nabite površine volumski tok raztopine ni veĉ mogoĉ, in sicer zaradi
prostorske omejitve, ki jo povzroĉajo adsorbirani ioni. Ta razdalja, ki je na neki razdalji od
nabite površine in je vzporedna nabiti površini, se imenuje striţna ploskev. Elektriĉni
potencial na striţni ploskvi pa se imenuje potencial zeta. Potencial zeta daje informacije o
elektrokinetiĉnih lastnostih površine. S poznavanjem potenciala zeta lahko ugotovimo,
kakšen je predznak skupnega naboja v Helmholtzovi plasti in na površini. Ta skupni naboj
imenujemo elektrokinetiĉni naboj. [34] Podatki o površinskem naboju nam dajejo
informacijo o stanju, kvaliteti in lastnostih površine makroskopskega telesa v polarnem
mediju oz. o aktivni površini trdno/tekoĉe. Elektrokinetiĉne lastnosti doloĉamo substancam
z veliko aktivno površino, saj le-ta doloĉa njihovo obnašanje v polarnih medijih, npr.:
• tekstilnim vlaknom in ploskovnim tvorbam (tkanine, pletenine...),
• umetnim masam (folije, filmi),
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 41
• vzorcem v prahu in granulatom in
• keramiĉnim materialom ter kovinskim oksidom ter vsem ostalim poljubno strukturno
oblikovanim materialom. [46]
Potencial zeta je eksperimentalno doloĉljiva veliĉina in je rezultat delovanja
elektrokinetiĉnih pojavov. Obstaja veĉ naĉinov, kako ga doloĉiti. Najpogosteje ga
doloĉamo na podlagi pretoĉnega potenciala oz. pretoĉnega toka. V merilni celici v
pretoĉnem kanalu se zaĉne poveĉevati tlak kot funkcija upora toka. Dobljena potencialna
razlika se zaznava z merilnimi elektrodami, ki so namešĉene na obeh koncih pretoĉnega
kanala. Tok tekoĉine skozi merilno celico povzroĉi pretoĉni tok ali pretoĉni potencial. [39]
Realni potencial zeta doloĉimo ob upoštevanju Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa
na podlagi geometrije pretoĉnega kanala po en.(1) in (2) na sliki 2 – 16. Pri en.(1) se
realni potencial zeta doloĉi na podlagi izmerjenega pretoĉnega toka po tlaku, dI/dp in po
en.(2) pa se realni ZP doloĉi na podlagi izmerjenega pretoĉnega potenciala, dU/dp.
Razmerje A/L v en.(1) in (2) se nanaša na geometrijo pretoĉnega kanala. V tem primeru je
ZP izraĉunan brez aproksimacije. V primeru ko en.(1) in (2) aproksimiramo, dobimo en.(3)
in (4). Z uporabo aproksimirane en.(3) in (4) pa se doloĉi t.i. navidezni potencial zeta, kjer
Helmholtz-Smoluchowskijev pristop upošteva specifiĉno prevodnost raztopine elektrolita,
κB. Navidezni ZP se doloĉi na podlagi izmerjenega toka, dI/dp po en.(3) in na podlagi
izmerjenega pretoĉnega potenciala, dU/dp po en.(4). Ta pristop upošteva, da je elektriĉni
tok znotraj merilne celice generiran le z raztopino elektrolita. Moţna napaka pri teh
aproksimacijah je odpravljena s Fairbrother-Mastinovim pristopom, en.(5), pri katerem se
konstanta celice, L/A, doloĉi iz elektriĉne upornosti in meritev prevodnosti elektrolita pri
pogojih, ko je medfazna prevodnost zanemarljiva, t.j. pri ionski moĉi elektrolita 0,1 mol/L.
[47]
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 42
Slika 2 – 16: Enaĉbe za doloĉanje potenciala zeta [47].
Parametri v enaĉbah na sliki predstavljajo:
– potencial zeta, V,
dI/dp – naklon pretoĉnega toka po tlaku, A Pa-1,
dU/dp – naklon pretoĉnega potenciala po tlaku, V Pa-1
η – viskoznost elektrolita , Pa s,
εr – relativna permitivnost elektrolita,
ε0 – permitivnost vakuuma, AsV-1 m-1,
L – dolţina pretoĉnega kanala, m,
A – presek pretoĉnega kanala, m2,
R – elektriĉna upornost znotraj merilne celice, Ω in
κB – specifiĉna elektriĉna prevodnost raztopine elektrolita zunaj pretoĉnega kanala,
S m-1.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 43
3 EKSPERIMENTALNI DEL
Eksperimentalni del diplomske naloge smo izvedli z merilnim instrumentom SurPASS, ki
nam je omogoĉil doloĉitev potenciala zeta na principu merjenja pretoĉnega toka in
pretoĉnega potenciala. Instrument SurPASS je podprt s programsko opremo »VisioLab for
SurPASS«. Proizvajalec tega instrumenta je podjetje Anton Paar GmbH iz Gradca,
Avstrija. Analizirali smo vzorce prej in pletenin razliĉne sestave bombaţ/modakril na
potencial zeta. Vzorce prej in pletenin nam je zagotovilo podjetje Beti Preja d.o.o.
3.1 Uporabljeni vzorci
V preglednici 3 – 1 so prikazani štirje vzorci prej in pletenin enake finosti (tex) z razliĉno
sestavo bombaţa in modakrila. Bombaţna in modakrilna vlaka so v podjetju Beti Preja
d.o.o. spredli v preje razliĉne sestave in iz teh prej so spletli pletenine.
Preglednica 3 – 1: Karakteristike uporabljenih vzorcev.
Št. vzorca Sestava Finost (tex) Tekstilni material
1 CO100 20 preja, pletenina
2 CO50:MAC50 20 preja, pletenina
3 CO40:MAC60 20 preja, pletenina
4 MAC100 20 preja, pletenina
Pletenje je proces izdelave ploske tekstilije – pletiva oz. trodimenzionalne tekstilije –
pletenine. Pletenina je izdelana iz enega samega nitnega sistema in na licu (ali na desni
strani) ima drugaĉen videz, kot ga ima na narobni strani (ali na levi strani), zato govorimo
o desni oz. levi strani. Vzorci pletenin, ki smo jih pri analizah uporabili, so oznaĉeni z
naslednjimi tehniĉnimi podatki:
- vrsta pletenine: SINGLE,
- finost stroja: 20E,
- površinska oz. plošĉinska masa pletenine: 130 g/m2.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 44
Slika 3 – 1 prikazuje vzorce prej, ki smo jih analizirali v cilindriĉni celici z metodo doloĉanja
potencial zeta.
Slika 3 – 1: Vzorci prej
(a) CO100, (b) CO50:MAC50, (c) CO40:MAC60 in (d) MAC100.
Slika 3 – 2 prikazuje vzorce pletenin, ki smo jih analizirali v naši diplomski nalogo na
potencial zeta v celici z nastavljivo reţo.
Slika 3 – 2: Vzorci pletenin
(a) CO100, (b) CO50:MAC50, (c) CO40:MAC60 in (d) MAC100.
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 45
3.2 Merilni instrument SurPASS
3.2.1 Opis delovanja merilnega instrumenta SurPASS
Elektrokinetiĉni analizator SurPASS omogoĉa hkratno merjenje pretoĉnega potenciala in
pretoĉnega toka. V obeh primerih gonilno silo predstavlja tlaĉna razlika. Vzdolţ nabite
površine v raztopini ustvarimo neko tlaĉno razliko. Zaradi te tlaĉne razlike se raztopina
zaĉne gibati ob površini in ustvari se elektriĉno polje. Zaradi teţnje po ravnovesju nastane
razlika v elektriĉnem potencialu. Tok preseţnih ionov se zaradi te razlike giblje v nasprotni
smeri kot volumski tok raztopine. Nastala potencialna razlika se imenuje pretoĉni
potencial. Doloĉanje potenciala zeta temelji na doloĉanju pretoĉnega potenciala oz.
pretoĉnega toka, ki ga ustvarja gibanje raztopine elektrolita skozi pretoĉni kanal merilne
celice instrumenta. [40]
Merilni instrument SurPASS deluje na principu dvojno brizgalno-ĉrpalnega sistema, ki
ustvarja tok elektrolita s premikanjem batov navzgor in navzdol po cilindru. Vodna
raztopina elektrolita teĉe skozi merilno celico z vzorcem. Ustvarjeni tok povzroĉi zamik
površinskega naboja v smeri toka raztopine elektrolita, in sicer vzdolţ merilne celice.
Merjeni parametri se doloĉajo izmeniĉno, odvisno od smeri toka raztopine elektrolita skozi
merilno celico. Med vtokom in iztokom merilne celice nastane tlaĉna razlika zaradi
upornosti kanala, ustvarjenega med trdnima površinama. Razliko potenciala (pretoĉni
potencial) ali razliko toka (pretoĉni tok) zaznajo merilne elektrode, postavljene na vsakem
koncu vzorca, in povezujejo vtok in iztok v merilni celici. Med merjenjem tlak nenehno
narašĉa v obeh smereh toka, hkrati pa se beleţijo vrednosti ∆p in ∆U ali ∆I. Izmerjene
vrednosti ∆p (tlaĉna razlika) in ∆U (pretoĉni potencial) oz. ∆I (pretoĉni tok) sluţijo za
izraĉun potenciala zeta. Temperatura, prevodnost in pH so merjeni istoĉasno kot zgoraj
navedene vrednosti in omogoĉajo doloĉitev lastnosti elektrolita. [40, 42, 48] Slika 3 – 3
prikazuje cirkulacijo elektrolita v instrumentu.
1 ĉaša z raztopino
elektrolita
2 tripotni ventil
3 leva in desna 100 ml
brizgalka za transport
elektrolita
4 leva in desna merilna
glava s tlaĉnim
senzorjem in elektrodo
5 merilna celica z
vzorcem
Slika 3 – 3: Cirkulacija elektrolita v instrumentu SurPASS [42, 48].
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 46
3.2.2 Sestavni deli instrumenta SurPASS
Slika 3 – 4: Sestavni deli merilnega instrumenta SurPASS [49].
Zelo pomemben sestavni del elektrokinetiĉnega analizatorja SurPASS je merilna celica.
Meritve prej smo opravili z uporabo cilindriĉne celice, medtem ko smo meritve pletenin
opravili s celico z nastavljivo reţo.
Za pritrditev merilne celice na merilni instrument SurPASS je potreben nosilec. Na sliki 3 –
5 so vidni sestavni deli tega nosilca.
1 steklena brizgalka s
kapaciteto 100 ml za
transport elektrolita
2 merilna glava s
senzorjem tlaka in
elektrodo (Ag/AgCl ali
Pt)
3 cevka za vhod
elektrolita
4 cevka za izhod
elektrolita
5 elektroda za merjenje
pH-vrednosti z
vgrajenim
temperaturnim
senzorjem
6 elektroda za merjenje
specifiĉne prevodnosti z
vgrajenim
temperaturnim
senzorjem
7 titracijski enoti
-
Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta
Stran 47
1 vodilu instrumenta prilegajoĉ utor
nosilca merilne celice
2 vodilo za fiksiranje merilne glave
3 privijaĉ
Slika 3 – 5: Sestavni deli nosilca [49].
Cilindriĉna celica, CYC (ang. Cylindrical Cell), prikazana na sliki 3 – 6a, se v glavnem
uporablja za doloĉanje potenciala zeta tekstilnih vlaken, netkanih vlaken, filtrov z zadostno
prepustnostjo in za zrnate in praškaste vzorce z velikostjo > 25µm [42]. Na sliki 3 – 6b je
viden shematski prikaz CYC s pretokom elektrolita.
(a) (b)
Slika 3 – 6: Cilindriĉna celica
(a) Cilindriĉna celica z vzorcem namešĉena v merilnem instrumentu SurPASS [50], (b)
Shematski prikaz cilindriĉne celice za merjenje pretoĉnega potenciala/toka [51].
Celica z nastavljivo reţo, AGC (ang. Adjustable Gap Cell), prikazana na sliki 3 –